專利名稱：光學(xué)的位置測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1的前序部分所述的光學(xué)的位置測(cè)量裝置。
光學(xué)的位置測(cè)量裝置包含有一個(gè)掃描單元和一個(gè)相對(duì)于掃描單元在測(cè)量方向上可移動(dòng)的標(biāo)尺，在該標(biāo)尺上布置有一個(gè)或多個(gè)刻線光柵，它具有一種周期性的光柵結(jié)構(gòu)，用來對(duì)標(biāo)尺和掃描單元之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行增量的或者絕對(duì)的測(cè)量。掃描單元包括一個(gè)發(fā)射側(cè)部分，它有一個(gè)布置在一個(gè)印制線路板上的光源、最好是一個(gè)光發(fā)射二極管和一個(gè)配屬于光源的準(zhǔn)直儀光學(xué)機(jī)構(gòu)。在掃描單元的接收側(cè)部分里、在印制電路板上設(shè)置了一個(gè)具有不同的激活的輻射敏感的探測(cè)器部位的光電探測(cè)器或光傳感器。
上面所列類型的一種光學(xué)的位置測(cè)量裝置的精密度、測(cè)量質(zhì)量、對(duì)污染的不敏感性和標(biāo)尺的機(jī)械變化、結(jié)構(gòu)尺寸以及制造成本等在很大程度上取決于在掃描單元里所應(yīng)用的透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)的類型和品質(zhì)，這種光學(xué)機(jī)構(gòu)在輻射敏感的周期性探測(cè)器部位上產(chǎn)生標(biāo)尺光柵的投影。在這里首先是掃描單元的結(jié)構(gòu)尺寸決定了光學(xué)的位置測(cè)量裝置的大小。制造成本在很大程度上取決于光電探測(cè)器的成本，如果該探測(cè)器可以用于不同的測(cè)量方法，那么其制造成本就可以經(jīng)濟(jì)有利。
作為用于光學(xué)位置測(cè)量的測(cè)量方法，一方面使用了所謂“透射光測(cè)量法”-其中光源、透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)和掃描板放置于標(biāo)尺的一個(gè)側(cè)面上，而光電探測(cè)器則置于標(biāo)尺的另一個(gè)側(cè)面上-另一方面則使用所謂“反射光-測(cè)量方法”-其中光源、透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)、掃描板和光電探測(cè)器都布置在標(biāo)尺的一個(gè)側(cè)面上。如果制備適用于兩種測(cè)量方法的光電探測(cè)器，那么就可以制造多的件數(shù)并因此降低制造成本。但這要求專門作用在該掃描光路里，因?yàn)椴煌谠谕干涔鉁y(cè)量法時(shí)，在透射光測(cè)量法時(shí)光電探測(cè)器可以緊挨著標(biāo)尺旁用于獲取周期性的光柵結(jié)構(gòu)，在反射光測(cè)量方法時(shí)該光電探測(cè)器進(jìn)一步與標(biāo)尺隔離開，因此為了在周期性的輻射敏感的探測(cè)部位上產(chǎn)生標(biāo)尺光柵的一個(gè)清晰投影就需要一個(gè)專門的投影光學(xué)機(jī)構(gòu)，以便使周期性標(biāo)尺光柵以一種規(guī)定的投影比例投影在所述光電探測(cè)器上。
所需要的投影光學(xué)機(jī)構(gòu)例如可以通過一個(gè)單個(gè)的透鏡來實(shí)現(xiàn)，這種透鏡然而由于所需要的大的像場(chǎng)而作成相應(yīng)大小，而且并不考慮用一種盡可能緊湊的掃描單元。
由GB 2 056 660已知一種在一個(gè)光學(xué)的位置測(cè)量裝置的掃描單元里的投影光學(xué)機(jī)構(gòu)，它按照一種透鏡組列的形式來設(shè)計(jì)。光學(xué)掃描單元包括一個(gè)布置在一個(gè)第一腔室里的光發(fā)射二極管，由該二極管通過一個(gè)聚光透鏡向標(biāo)尺發(fā)出光線，并從該標(biāo)尺通過所述同樣也設(shè)計(jì)成聚光透鏡的透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)反射到一個(gè)布置在一個(gè)第二、相鄰于第一腔室的腔室里所設(shè)置的光傳感器上。原則上可以借助于一個(gè)設(shè)計(jì)成透鏡組列的投影光學(xué)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的整個(gè)系統(tǒng)。
然而GB 2056 660并沒有說明這樣一個(gè)透鏡組列如何具體設(shè)計(jì)成在一個(gè)光學(xué)的位置測(cè)量裝置的掃描光路里的投影光學(xué)機(jī)構(gòu)，尤其是當(dāng)預(yù)先規(guī)定了某一個(gè)投影比例時(shí)，用此標(biāo)尺例如可以將一個(gè)周期的標(biāo)尺光柵投影到一個(gè)周期的探測(cè)系統(tǒng)上。
本發(fā)明的任務(wù)是提出一種盡可能可以用于設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊的透鏡組列的通用規(guī)程，這種透鏡組列在一個(gè)光學(xué)的位置測(cè)量裝置的掃描光路里使一個(gè)周期性光柵以預(yù)定的投影比例投影在一個(gè)投影平面上。
該任務(wù)按照本發(fā)明通過權(quán)利要求1的特征來解決。
按照本發(fā)明的解決辦法提供了用于設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)結(jié)湊的透鏡組列的可以通用的規(guī)程，這種透鏡組列在一個(gè)光學(xué)的位置測(cè)量裝置的掃描光路里使一個(gè)周期性光柵以預(yù)定投影比例投影到一個(gè)投影平面上。
按照本發(fā)明的解決方案依據(jù)的知識(shí)是，透鏡組列和尤其是相同的透鏡線性地、周期地布置在某一個(gè)光柵里的優(yōu)點(diǎn)在于與單個(gè)透鏡相比，在光學(xué)投影時(shí)在同時(shí)有大的發(fā)光面積時(shí)其焦距較小，而且結(jié)構(gòu)高度較小。
雖然由GB 2 056 660A已知的透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)在布置有多個(gè)光發(fā)射二極管和具有附屬的聚光透鏡的光敏傳感器時(shí)可以看作為透鏡組列，然而由于沒有將透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)從幾何關(guān)系上配合于標(biāo)尺光柵結(jié)構(gòu)的周期性和配合于投影比例，因而不能從這樣一種透鏡組列獲知如何應(yīng)該在該投影平面上或者在一個(gè)光電探測(cè)器上對(duì)該標(biāo)尺光柵進(jìn)行一種用于精密測(cè)量所必需的高精度投影。
當(dāng)借助于透鏡組列投影柵格結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生如下問題每個(gè)透鏡或者微透鏡都產(chǎn)生一個(gè)局部的投影，因此在投影邊界處在過渡至相鄰的透鏡時(shí)就可能在光柵結(jié)構(gòu)的投影之間產(chǎn)生相移。因此考慮到必需的投影比例必須求出透鏡組列的一個(gè)按所要投影的光柵的光柵周期進(jìn)行優(yōu)化的周期，以保證使光柵的投影又產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的光柵，也就是說確保了由所述一個(gè)透鏡所投影的光柵的光柵連片和空隙(Luecke)與相鄰光柵的連片和空隙的一種相同相位的重疊或者說符合一致。
如果這樣一種同相位重疊通過在確定相鄰?fù)哥R之間的優(yōu)化距離時(shí)的一種相應(yīng)的規(guī)律性、以及因此在考慮預(yù)先規(guī)定的幾何邊界條件時(shí)透鏡布置的最佳的周期來確保的話，那么也就保證了所述對(duì)在投影平面里投影的(未受干擾的)光柵進(jìn)行掃描的光電探測(cè)器或者一個(gè)后面的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生了精確的位置信號(hào)或者運(yùn)動(dòng)信號(hào)。
與之相應(yīng)地按照本發(fā)明的方案包括了一種由一個(gè)周期性透鏡組列構(gòu)成的透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)，并且還說明了相鄰?fù)哥R的最佳的相互間距或者說周期性透鏡組列的最佳柵格周期。
用于確定透鏡組列周期AG(r)大小的公式一般為如下既適合于線性的也適于徑向的位置測(cè)量裝置的形式AG(r)=|β(r)|*[t(r)*[k+i+n]+ψ](|β(r)|+1)]]>其中AG(r)透鏡組列的柵格周期，t(r)周期性光柵結(jié)構(gòu)的周期，|β(r)|透鏡組列(80)的投影比例β的絕對(duì)值，Ψ一個(gè)可預(yù)先規(guī)定的、限定的相移，r光柵系統(tǒng)的半徑，其中在線性光柵的情況下r＝∞而且AG、t和|β|恒定，i，k，n∈N，也就是說自然數(shù)，包括零。
相鄰?fù)哥R的相互間距AG(r)的這個(gè)公式也考慮了在相鄰?fù)哥R的所產(chǎn)生的投影中產(chǎn)生規(guī)定的相移ψ的可能性，因而該公式在考慮了預(yù)先給定的幾何邊界條件情況下表示出了確定一種周期性線性或徑向的透鏡組列的柵格周期AG(r)的一般情況。
通過一種在透鏡組列的相互相鄰的透鏡的投影范圍里的有目的地可以調(diào)節(jié)的相移ψ就可以確定這些例如由布置在投影平面里的光電探測(cè)器所產(chǎn)生的信號(hào)的相位。因而還可以產(chǎn)生電偏置90°的信號(hào)，用于對(duì)位置測(cè)量進(jìn)行分析處理。
另外可以通過在透鏡組列的相鄰?fù)哥R的投影重疊部位里的一種相移ψ來調(diào)節(jié)亮區(qū)和暗區(qū)的寬度之間的一種有目的的比例關(guān)系，因而由亮區(qū)和暗區(qū)的寬度所得出的一個(gè)光電探測(cè)器的信號(hào)的諧波成分就可以有目的地受到干預(yù)影響。
由于借助于已結(jié)構(gòu)化的掃描板常調(diào)節(jié)各自配置的探測(cè)器的所記錄的掃描信號(hào)之間的相位關(guān)系，因而在一種這樣設(shè)計(jì)的透鏡組列中在一個(gè)光學(xué)的位置測(cè)量裝置的掃描光路中甚至可以放棄一種已結(jié)構(gòu)化的掃描板。
在一種線性的位置測(cè)量裝置中上述的透鏡組列的周期AG計(jì)算公式變成AG=|β|*[t*[k+i+n]+ψ](|β|+1)]]>其中AG透鏡組列的柵格周期，t周期性光柵結(jié)構(gòu)的周期，|β|透鏡組列(80)的投影比例β的絕對(duì)值，ψ一個(gè)可預(yù)先規(guī)定的、限定的相移，i，k，n∈N，也就是自然數(shù)，包括零。
所述相移最好是在投影平面上投影的周期性光柵結(jié)構(gòu)的周期的一個(gè)分?jǐn)?shù)或一個(gè)倍數(shù)。
如果在相鄰?fù)哥R的投影之間沒有產(chǎn)生相移時(shí)對(duì)一個(gè)周期性光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行投影，那么柵格周期由如下公式求得AG(r)=|β(r)|*t(r)*[k+i+n](|β(r)|+1)]]>
其中AG(r)透鏡組列的柵格周期，t(r)周期性光柵結(jié)構(gòu)的周期，|β(r)|透鏡組例(80)的投影比例β的絕對(duì)值，r光柵系統(tǒng)的半徑，其中對(duì)于線性光柵r＝∞，而AG，t和|β|為恒定的，i，k，n∈N，也就是自然數(shù)，包括零。
用于設(shè)計(jì)一種透鏡組到的這種公式也可以既用在線性的也用在徑向的位置測(cè)量裝置里。對(duì)于在相鄰?fù)哥R的投影之間沒有產(chǎn)生相移時(shí)的周期性光柵結(jié)構(gòu)的投影來說一種線性的位置測(cè)量裝置的柵格周期為AG=|β|*t*[k+i+n](|β|+1)]]>其中AG透鏡組列的柵格周期，t標(biāo)尺光柵(10)的周期，|β|透鏡組列(80)的投影比例β的絕對(duì)值，i，k，n∈N，也就是自然數(shù)，包括零。
為了在確定相鄰?fù)哥R或微透鏡之間的最佳間距時(shí)考慮物理方面和/或技術(shù)方面的邊界條件-如一個(gè)數(shù)值口徑以及工藝限制，那么透鏡組列的透鏡寬度可以由下式確定BL(r)=|β(r)|*t(r)*m(|β(r)|+1)]]>其中BL(r)透鏡寬度，t(r)周期性光柵結(jié)構(gòu)的周期，|β(r)|透鏡組列(8)的投影比例β的絕對(duì)值，r光柵系統(tǒng)的半徑，對(duì)于r＝∞表示一個(gè)線性光柵，對(duì)于BL，β和t來說為恒定值，m∈N。
該公式得出了在確定一個(gè)線性的或徑向的透鏡組列的投影柵格的最佳周期性時(shí)的一個(gè)最小透鏡寬度。
為了在考慮到物理方面的和/或技術(shù)方面的邊界條件以及工藝技術(shù)方面的限制的情況下、確定一個(gè)線性的位置測(cè)量裝置的相鄰?fù)哥R或微透鏡之間的最佳間距，由以下公式來確定透鏡寬度BL=|β|*t*m(|β|+1)]]>按照本發(fā)明的解決方案既可用于對(duì)一個(gè)周期性標(biāo)尺光柵的直接投影，也可用在一種光學(xué)的位置測(cè)量系統(tǒng)的掃描光路里，其中例如在一個(gè)中間生成平面里通過多個(gè)以前經(jīng)過的光柵刻線的交替作用產(chǎn)生了一種“可視的”條紋圖樣，而且需要使這樣一種可視的條紋圖樣以一個(gè)投影比例在一個(gè)投影平面里產(chǎn)生一個(gè)投影。
在具有投影的光柵結(jié)構(gòu)的一個(gè)最佳周期的透鏡組列的投影平面里也可以有選擇地設(shè)置一種光電探測(cè)器，或者該投影平面可以配屬于接著的一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。
周期性透鏡組列的柵格周期按照本發(fā)明的公式來確定，這種透鏡組列的應(yīng)用就創(chuàng)造了應(yīng)用同樣種類的或者說構(gòu)造相同的探測(cè)器系統(tǒng)或者接著的用于光學(xué)的位置測(cè)量裝置的光學(xué)系統(tǒng)的先決條件，這里所述位置測(cè)量裝置按照反射光測(cè)量方法或者按照透射光測(cè)量方法來工作，并因此使對(duì)應(yīng)的光學(xué)測(cè)裝置的制造成本有利。因此也可以使得按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的線性的和周期性的透鏡組件使用在按照反射光測(cè)量方法的一種光電掃描的光學(xué)的位置測(cè)量裝置里，并使投影平面和光源都布置在一個(gè)共同的線路板上。
為了在掃描光路的一個(gè)中間形成平面里產(chǎn)生這樣一個(gè)“可視的”條紋圖樣、例如一種所謂標(biāo)尺條紋圖樣，可以在掃描光路里在掃描單元的側(cè)面上布置一個(gè)具有一種光柵結(jié)構(gòu)的掃描板，這種光柵結(jié)構(gòu)的光柵常數(shù)與標(biāo)尺光柵的光柵常數(shù)略有不同，因此就以自身已知的方式由于這兩個(gè)光柵結(jié)構(gòu)的交替作用而在一個(gè)中間形成平面上產(chǎn)生可視的條紋圖樣，該條紋圖樣又通過透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)被投影。
按照本發(fā)明的解決方案的一種有利的改進(jìn)方案的特征在于，線路板與標(biāo)尺平面或標(biāo)尺光柵平面如此成角度地布置，使得由光源出發(fā)的光線就在一個(gè)垂直于標(biāo)尺布置的反射面上反射，通過一個(gè)聚光透鏡射到該標(biāo)尺光柵上，在那里反射并通過掃描板以及借助于所述基本平行于線路板布置的透鏡組列使標(biāo)尺光柵以投影比例對(duì)投影平面進(jìn)行投影。
按照在附圖中所示的實(shí)施例應(yīng)該詳細(xì)說明以本發(fā)明為基礎(chǔ)的構(gòu)思。附圖示出

圖1一個(gè)按照反射光測(cè)量法工作的光學(xué)的位置測(cè)量裝置的一個(gè)標(biāo)尺和一個(gè)掃描單元的簡(jiǎn)圖；圖2用于產(chǎn)生一種周期性光柵結(jié)構(gòu)的投影的一種線性的周期性透鏡組列的兩個(gè)相鄰?fù)哥R的簡(jiǎn)圖；圖3用一種具有按照本發(fā)明的公式所確定的周期的線性透鏡組列對(duì)一種周期性的光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行投影的一個(gè)簡(jiǎn)圖；圖4用一種不具有與按本發(fā)明的公式相應(yīng)的周期的線性透鏡組列對(duì)一種周期性光柵結(jié)構(gòu)投影的一個(gè)簡(jiǎn)圖；圖5用一種徑向的透鏡組列對(duì)一種徑向周期性的光柵結(jié)構(gòu)投影的一個(gè)簡(jiǎn)圖。
圖1概略表示了作為一種按照反射光測(cè)量法工作的光學(xué)的位置測(cè)量裝置的零部件的一個(gè)具有一個(gè)橫向于掃描方向延伸的標(biāo)尺光柵10的標(biāo)尺1以及一個(gè)相對(duì)于標(biāo)尺1可以運(yùn)動(dòng)的掃描單元2。標(biāo)尺光柵10由一種線性的、周期性的刻線光柵制成，它在按圖1所示的實(shí)施例中表示為一個(gè)線性位置測(cè)量系統(tǒng)的增量軌跡。另一種可選的方案可以使該布置在標(biāo)尺1上的刻線光柵由一個(gè)增量的刻線光柵和一個(gè)刻線光柵組成，該光柵具有一個(gè)預(yù)先規(guī)定的分度周期(Teilungsperiode)并提供絕對(duì)的位置數(shù)值。
掃描單元2包括一個(gè)線路板3，該線路板布置在一個(gè)掃描外殼里，與標(biāo)尺1的平面成一個(gè)預(yù)定的角度。在線路板3上布置了一個(gè)光發(fā)射二極管形式的光源4，以及與光源4相隔開地布置一個(gè)光電探測(cè)器9，該探測(cè)器交替地具有光敏區(qū)和光線不敏感的空隙，它們的指向匹配于標(biāo)尺光柵10的指向。光電探測(cè)器9例如可以對(duì)應(yīng)于由DE 100 22 619A1已知的結(jié)構(gòu)化的光電子的光探測(cè)器來構(gòu)成。
掃描單元2的外殼的對(duì)著光源4的側(cè)壁鏡面化地形成反射面5，并將來自光源4的光通過一個(gè)聚光透鏡6和一個(gè)平行于標(biāo)尺1布置的、構(gòu)成掃描外殼的底面的玻璃板7反射到標(biāo)尺光柵10上。
玻璃板7可以是一個(gè)具有一種光柵結(jié)構(gòu)的掃描光柵，它與標(biāo)尺光柵的光柵常數(shù)略有偏差，因此由于這兩種光柵結(jié)構(gòu)的交替作用在一個(gè)中間形成平面里產(chǎn)生了一個(gè)可視的條紋圖樣、例如一種所謂標(biāo)尺條紋圖樣，這種圖樣又通過透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)而投影。
光線從標(biāo)尺光柵10到達(dá)一個(gè)透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)8上，這個(gè)機(jī)構(gòu)按照本發(fā)明由一個(gè)線性的周期性的透鏡組列80組成。該透鏡組列用一種預(yù)定的投影比例β使標(biāo)尺光柵10投影在線路板3的投影平面9上，在該平面上在所述實(shí)施例中布置了一個(gè)光電探測(cè)器90，而且在掃描單元2和標(biāo)尺1之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)該線路板將明-暗調(diào)制轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。
應(yīng)用在透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)8或者說透鏡組列80里的單個(gè)透鏡此處都可以設(shè)計(jì)成折射的或者衍射的光學(xué)元件。
替換圖1所示的光電探測(cè)器90的方案，也可以在投影平面9里設(shè)有一個(gè)光學(xué)元件或者下一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)投影平面。
為了確保標(biāo)尺光柵10的周期性的光柵結(jié)構(gòu)作為周期的連續(xù)的光柵通過透鏡組列80在投影平面9上具有同相位重疊，也就是說使得被透鏡組列80中的一個(gè)透鏡所投影的標(biāo)尺光柵的部分的光柵連片和空隙與通過相鄰?fù)哥R所投影的標(biāo)尺光柵10的部分的光柵連片和空隙符合一致，必須在考慮到投影比例β和標(biāo)尺光柵10的有效光柵周期的情況下使透鏡組列80具有某一個(gè)周期性。用于確定透鏡組列80的最佳周期性的計(jì)算公式以下就根據(jù)圖2所示簡(jiǎn)圖計(jì)算求出，在該圖2中表示了用于在一個(gè)投影平面9中投影一個(gè)標(biāo)尺光柵10的一個(gè)線性透鏡組列80的兩個(gè)相鄰的透鏡81、82。
圖2用線性透鏡組列80中的一個(gè)局部部分表示了透鏡組列80的兩個(gè)相鄰布置的、相互距離為AG的透鏡81、82，該透鏡將光柵周期為t的、安裝在一個(gè)標(biāo)尺上的標(biāo)尺光柵10以投影比例β投影成投影平面9中的周期為T＝β*t的一個(gè)光柵，在該投影平面里例如布置有一個(gè)按圖1所示的光電探測(cè)器90，或者該平面配屬于下一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。
標(biāo)尺光柵10的配屬于透鏡組列80中的透鏡81、82的部分由相鄰?fù)哥R81、82的高度g1，g2和距離AG組成，并且由光柵周期t的倍數(shù)和小于光柵周期t的“剩余值”φ1至φ5組成。此時(shí)透鏡組列80的左透鏡81就將標(biāo)尺光柵10的高度g1的光柵序傳遞至投影平面9里的高度b1的一個(gè)投影序里，而透鏡組列80的右透鏡82則將高度g2的光柵序傳遞至投影平面9里的高度b2的投影序里，其中標(biāo)尺光柵10在投影平面9里的投影由高度b1和b2組成，并且由光柵周期T的倍數(shù)和小于光柵周期T的“剩余值”φ1至φ4一起組成。
為了使所述由透鏡組列80的透鏡81、82在投影平面9里所投影的光柵同相位地補(bǔ)充成一個(gè)通長(zhǎng)的光柵或者說重疊，那么涉及以下條件(1)AG＝b1+b2＝Φ1+Φ2+n*T+Φ3+Φ4+i*T(2)b2＝|β|*g2＝|β|*(φ5+φ6+i*t)(3)b1＝|β|*g1＝|β|*(φ1+φ2+n*t)(4)AG＝k*t+φ3+φ4(5)φ2+φ3＝t(6)φ4+φ5＝t(7)T＝Φ2+Φ3＝|β|*(φ1+φ6)(8)T＝|β|*t其中n，i和k為自然數(shù)，包括零。
由于公式(1)和(4)等同，考慮到公式(2)，(3)和(7)可得|β|*(φ1+φ2+n*t)+|β|*(φ5+φ6+i*t)＝k*t+φ3+φ4|β|*(n+i)*t+|β|*(φ1+φ6)+|β|*(φ2+φ5)＝k*t+φ3+φ4加上T＝φ2+φ3＝|β|*(φ1+φ6)＝|β|*t接著為，|β|*(n+i)*t+|β|*t+|β|*(φ2+φ5)＝k*t+φ3+φ4|β|*(n+i+1)*t+|β|*(φ2+φ6)＝k*t+φ3+φ4(9)|β|*(i+n+1)*t+|β|*(φ2+φ5)＝k*t+φ3+φ4
如果公式(9)加上和(φ2+φ5)，那就用公式(5)和(6)得到|β|*(i+n+1)*t+|β|*(φ2+φ5)+(φ2+φ5)＝k*t+φ3+φ4+(φ2+φ5)(|β|+1)*(φ5+φ2)+|β|*t*(i+n+1)＝(k+2)*t或者(10)(φ2+φ5)＝[(k+2)*t-|β|*t*(i+n+1)]/(|β|+1)若將(φ2+φ5)加至公式(4)，則得到AG+(φ2+φ5)＝k*t+φ3+φ4+(φ2+φ5)由公式(5)和(6)得出AG＝(k+2)*t-(φ2+φ5)用公式(10)則AG＝(k+2)*t-[(k+2)*t-|β|*t*(i+n+1)]/(|β|+1)由此最終得出作為柵格周期的答案或者用于投影一個(gè)通長(zhǎng)的、由相互同相重疊的投影-部分光柵組成的光柵的線性周期性的透鏡系統(tǒng)80的相鄰?fù)哥R81、82的相互距離的答案AG=|β|*t*(k+i+n+3)(|β|+1)]]>或者(11)---AG=|β|*t*(k+i+n)(|β|+1)]]>其中AG透鏡組列80的柵格周期，t標(biāo)尺光柵10的周期，|β|透鏡組列80的投影比例β的絕對(duì)值i，k，n自然數(shù)，包括數(shù)字零。
為了借助于透鏡組到80使周期為t的標(biāo)尺光柵光學(xué)地以投影比例β進(jìn)行如此投影，使得產(chǎn)生一個(gè)周期T＝|β|*t的光柵-該光柵沒有相移、相空隙(Phaseluecke)等等，因此透鏡組列80的相鄰?fù)哥R81、82必須具有對(duì)應(yīng)于上述關(guān)系式(11)的一個(gè)距離AG。
通過在透鏡組列80的兩個(gè)相鄰?fù)哥R81、82的投影之間的圖形空間里的一種有目的可預(yù)先規(guī)定的相移ψ就可以調(diào)定對(duì)于投影在投影平面9里的光柵的分析處理所希望的效果。因此通過有目的的可調(diào)定的相移ψ可以在投影平里9里使由布置在按圖1所示投影平面9里的光電探測(cè)器90、例如一種多組式探測(cè)器所產(chǎn)生的信號(hào)的相位規(guī)定在例如90°上。此外可以在相鄰?fù)哥R81、82的光柵投影的重疊部位里調(diào)定一個(gè)在亮區(qū)和暗區(qū)的寬度之間的有目的的比例關(guān)系，以便能有目的地影響探測(cè)器90的由此獲得的信號(hào)的高次諧波內(nèi)容。
為將所希望的相移ψ包括進(jìn)去只要將上面所述的公式(1)改變?yōu)?1′)AG＝b1+b2+Ψ＝Φ1+Φ2+n*T+Φ3+Φ4+i*T+Ψ其中ψ＝|β|*ψ由此得出對(duì)柵格周期或?qū)τ诰€性周期性透鏡組列80的相鄰?fù)哥R81、82的相互距離來說通用的公式，用于投影出通長(zhǎng)的由相互同相的重疊的投影-分光柵所組成的光柵(12)---AG=|β|*(t*(k+i+n)+ψ)(|β|+1)]]>其中AG透鏡組列80的柵格周期，t標(biāo)尺光柵10的周期，|β|透鏡組列80的投影比例β的絕對(duì)值ψ可預(yù)先規(guī)定的相移i，k，n自然數(shù)，包括數(shù)字零。
如果想要由例如由該透鏡組列80投影的光柵的周期T的四分之一產(chǎn)生一個(gè)有目的的相移ψ，那么必須考慮到透鏡組列80的投影比例β和標(biāo)尺光柵10的光柵周期t按照上述計(jì)算公式(12)來確定相鄰?fù)哥R81、82的透鏡距離AG或者說透鏡組列80的周期。
圖3中概略表示了兩個(gè)用上述計(jì)算公式計(jì)算出的柵格周期或一個(gè)線性周期性的透鏡組列的相鄰?fù)哥R的相互距離。
圖3所示示圖提出的任務(wù)在于通過一種光學(xué)投影、借助于一種(微)透鏡組列使一個(gè)20μm的標(biāo)尺光柵、也就是說光柵周期t＝20μm的標(biāo)尺光柵以投影比例β＝-2進(jìn)行投影，也就是投影成一個(gè)光柵周期為t′＝40μm的光柵。也就是說應(yīng)該產(chǎn)生原始標(biāo)尺光柵10的一個(gè)具有雙倍的光柵周期t的投影而并沒有附加的相移。此外由于數(shù)值口徑以及由于工藝技術(shù)的限制，透鏡組列的周期性的計(jì)算以最小透鏡寬度為120μm為基礎(chǔ)。
為了確定透鏡組列80的相鄰?fù)哥R的周期性或者距離AG，由上述的計(jì)算公式(11)出發(fā)，因而按包含于該公式中的自然數(shù)i，k，n來解此公式AG＝|β|*t*(k+i+n)/(|β|+1)其中k，i，n∈N因此得出(13)AG*(|β|＝1)/(|β|*t)＝(k+i+n)由于i，k，n是自然數(shù)，所述術(shù)語m也必須是一個(gè)自然數(shù)，也就是(14)AG*(|β|+1)/(|β|*t)＝(k+i+n)＝m公式14按相鄰?fù)哥R的距離AG的解為(15)AG＝|β|*t*m/(|β|+1)其中m∈N在此式中t和β是給定的，因此在設(shè)定某一個(gè)用于相鄰?fù)哥R距離AG的最小透鏡寬度時(shí)必須這樣來選擇自然數(shù)m，使相鄰?fù)哥R的距離AG達(dá)到最小透鏡寬度的希望的值。同時(shí)由以下公式求出自然數(shù)的大小(16)m＝k+i+n值k/|β|用作為由n+i組成的和的良好近似值。
此處就得出(17)m＝k+k/|β|或者m＝k(1+1/|β|)該公式按k的解為(18)k＝m/(1+1/|β|)其中k為一個(gè)如上所述的自然數(shù)。用上述的值A(chǔ)G＝120μm，β＝-2和t＝20μm則得出(19)AG*(|β|+1)/(|β|*t)＝m＝120μm*(2+1)/2*20μm)＝9由此得出(20)k*(1+1/|β|)＝m＝9由此得出k＝6，n+i＝3因?yàn)閕，k和n是自然數(shù)，該條件通過公式(20)滿足了，因此在透鏡組列的相鄰?fù)哥R之間的具有一個(gè)周期或者一個(gè)距離AG＝120μm的透鏡組列滿足了對(duì)一個(gè)相位相同的光柵投影的要求。圖3表示了具有一個(gè)周期為AG＝120μm的透鏡組列80a-其相鄰?fù)哥R具有光學(xué)軸線X1至X4-得到一個(gè)光柵圖形Ga，該圖形具有標(biāo)尺光柵10未受干擾的投影。
如果對(duì)于一種透鏡組列80b來說不是選擇它，而選擇了相鄰?fù)哥R的距離或者一個(gè)周期AG＝140μm，這也許能滿足對(duì)最小透鏡寬度為120μm的條件，那么由上式(12)就得出(20)AG＝|β|*(t*(k+i+n)+ψ/(|β|+1)其中i，k和n必須是自然數(shù)。
由此對(duì)于相移ψ來說得出(21)ψ＝(|β|+1)*AG/|β|-t*(k+i+n)用所選的或所假設(shè)的值透鏡距離AG＝140μm，注銷比例(Ab-meldungsmaβstab)β＝-2、標(biāo)尺光柵的光柵周期t＝20μm和自然數(shù)k＝6，以及n+i＝3，那就由上述等式得出相移ψ的公式(22)ψ＝(2+1)*140μm-20μm*(6+3)＝240μm如由圖4所示的、相鄰?fù)哥R的光學(xué)軸線Y1至Y4的相互距離或者說周期AG＝140μm的透鏡組列80b的光柵Gb可見，相鄰?fù)哥R間的圖形部位相互重疊，從而形成一個(gè)沒有被投影的標(biāo)尺光柵的伸長(zhǎng)部位。
圖5簡(jiǎn)明表示了一種徑向的光柵結(jié)構(gòu)10，它借助于一種徑向的透鏡組列80c投影成一個(gè)徑向的光柵圖形Gbr。
徑向透鏡組列80c由各個(gè)微透鏡組成，這些微透鏡與一種線性透鏡組列不同，沿著其徑向的縱向延伸部位并沒有恒定的距離AG，而是具有一個(gè)在徑向方向上變化的、取決于各自半徑r的距離AG(r)。
為了借助于徑向的透鏡組列80c使所要投影的周期為t(r)的徑向光柵結(jié)構(gòu)以投影比例β(r)進(jìn)行光學(xué)投影，從而產(chǎn)生周期T(r)＝|β(r)|*t(r)的一個(gè)光柵，該光柵沒有相移、相空隙等等，那么徑向透鏡組列80c的相鄰?fù)哥R必須具有如下的距離AG(r)=|β(r)|*t(r)*[k+i+n]|β(r)|+1]]>其中AG(r)透鏡組列的柵格周期，t(r)周期性光柵結(jié)構(gòu)的周期，
|β(r)|透鏡組列(80)的投影比例β的絕對(duì)值，r光柵系統(tǒng)的半徑，i，k，n∈N，也就是說自然數(shù)包括零。
圖5表示了兩個(gè)不同的、按照上述計(jì)算公式所確定的距離AG(r1)和AG(r2)，該距離在兩個(gè)沿圓周方向相鄰的、輻射狀地從一個(gè)共同中心出發(fā)的微透鏡裝置的處于相同半徑上的微透鏡之間。這樣一種徑向透鏡組列可以用于徑向位置測(cè)量裝置的旋轉(zhuǎn)傳感器和角度測(cè)量?jī)x。
權(quán)利要求
1.具有一個(gè)掃描單元(2)的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，該掃描單元包含有一個(gè)光源(4)、一個(gè)投影平面(9)和一個(gè)用于在投影平面(9)里產(chǎn)生一個(gè)周期性的光柵結(jié)構(gòu)(10)的投影的透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)(8)，其特征在于，透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)(8)由具有如此柵格周期的或者說相鄰?fù)哥R(81、82)的相互距離的一種周期性透鏡組列(80)組成AG(r)=|β(r)|*[t(r)*[k+i+n]+ψ](|β(r)|+1)]]>其中AG(r)為透鏡組列的柵格周期，t(r)為周期性的光柵結(jié)構(gòu)(10)的周期，|β(r)|為透鏡組列(80)的投影比例β的絕對(duì)值，ψ為一個(gè)可預(yù)先規(guī)定的限定的相移，r為光柵系統(tǒng)的半徑，其中對(duì)于線性的光柵r＝∞，而AG，t和β是恒定的，i，k，n∈N，也就是說自然數(shù)，包括零。
2.按權(quán)利要求1所述的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，其特征在于，相移(ψ)是在投影平面(9)里投影的周期性光柵結(jié)構(gòu)(10)的周期(T)的一個(gè)分?jǐn)?shù)或一個(gè)倍數(shù)。
3.按權(quán)利要求1所述的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，其特征在于沒有相移(ψ＝0)時(shí)的柵格周期AG(r)=|β(r)|*[t(r)*[k+i+n](|β(r)|+1)]]>其中AG(r)為透鏡組列的柵格周期，t(r)為周期性光柵結(jié)構(gòu)(10)的周期，|β(r)|為透鏡組列(80)的投影比例β的絕對(duì)值，r為光柵系統(tǒng)的半徑，其中對(duì)于一個(gè)線性的光柵r＝∞，而AG，t和β是恒定的，i，k，n∈N，也就是說自然數(shù)，包括零。
4.按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，其特征在于透鏡組列(80)的透鏡(81、82)的一個(gè)寬度BL(r)=|β(r)|*t(r)*m(|β(r)|+1)]]>其中BL(r)為透鏡寬度，t(r)為周期性的光柵結(jié)構(gòu)(10)的周期，|β(r)|為透鏡組列(8)的投影比例β的絕對(duì)值，r為光柵系統(tǒng)的半徑，在線性柵格時(shí)r＝∞，m∈N。
5.按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，其特征在于，一個(gè)光電探測(cè)器(90)布置在投影平面(9)里。
6.按上述權(quán)利要求1至4中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，其特征在于，投影平面(9)配置于接著的一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。
7.按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，其特征在于，應(yīng)用在透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)(8)或者透鏡組列(80)里的單個(gè)透鏡是折射的光學(xué)元件。
8.按上述權(quán)利要求1至6中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，其特征在于，應(yīng)用在透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)(8)或者透鏡組列(80)里的單個(gè)透鏡是衍射的光學(xué)元件。
9.按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，其特征在于一個(gè)標(biāo)尺(1)，該標(biāo)尺具有至少一個(gè)具有周期性光柵結(jié)構(gòu)的刻線光柵(10)，并具有一個(gè)相對(duì)于標(biāo)尺(1)可活動(dòng)的并且掃描該標(biāo)尺光柵(10)的掃描單元(2)，該掃描單元有一個(gè)光源(4)、一個(gè)投影平面(9)和一個(gè)布置在標(biāo)尺(1)和投影平面(9)之間的光路里的、用于在投影平面(9)里產(chǎn)生標(biāo)尺光柵(10)的周期性光柵結(jié)構(gòu)的一個(gè)投影的透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)(8)。
10.按權(quán)利要求9所述的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，其特征在于，在標(biāo)尺(1)和透鏡組列(80)之間和/或在標(biāo)尺(1)和光源(4)之間布置了一個(gè)具有一種光柵結(jié)構(gòu)的掃描板(7)，該掃描板具有一個(gè)與標(biāo)尺(1)的光柵常數(shù)略有不同的光柵常數(shù)，因而在一個(gè)中間圖形平面里就產(chǎn)生了一種可視的條紋圖樣。
11.按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)用于按反射光測(cè)量方法進(jìn)行光電掃描的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，其特征在于，投影平面(9)和光源(4)都布置在一個(gè)共同的線路板(3)里。
12.按權(quán)利要求11所述的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，其特征在于，線路板(3)與標(biāo)尺(1)或標(biāo)尺光柵(10)成角度地進(jìn)行布置，因而從光源(4)出來的光線在一個(gè)垂直于標(biāo)尺(1)布置的反射面(5)上反射，經(jīng)過一個(gè)聚光透鏡(6)投射到標(biāo)尺光柵(10)上，在那里反射并借助于基本平行于線路板(3)布置的透鏡組列(80)使標(biāo)尺光柵(10)以投影比例(β)投影在投影平面(9)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有一個(gè)掃描單元(2)的光學(xué)的位置測(cè)量裝置，該掃描單元包含有一個(gè)光源(4)、一個(gè)投影平面(9)和一個(gè)用于在該投影平面(9)里產(chǎn)生一個(gè)周期性的光柵結(jié)構(gòu)(10)的投影的透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)(8)。按照發(fā)明該透鏡光學(xué)機(jī)構(gòu)(8)由一個(gè)具有柵格周期或者相鄰?fù)哥R(81、82)相互間距的周期性透鏡組列(80)組成，其中A
文檔編號(hào)G02B3/00GK1646883SQ03808600
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2003年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月17日
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